固態電池能否成為主流

電子發燒友網報道（文/黃山明）近日，美國國家航空航天局（NASA）從事增強可充電性和安全性的固態結構電池項目（SABERS）的研究人員，在研發一種創新型電池組時取得突破性進展，該電池組比現有的電池產品更輕、更安全、性能也更好。

NASA研發這款電池，是希望將其應用在航空領域中來，比如電動飛機與空中交通等。今年4月份，NASA宣布與日產達成戰略合作，攜手開發新型全固態電池，取代目前的鋰離子電池。

固態電池能量密度提升至500Wh/kg

從NASA公開的數據來看，新款研發的電池為固態硫硒電池，相比鋰電池而言，體積更小、能量密度更高、重量更輕、承受高溫能力更強，以及在受到沖擊之后仍可以繼續使用等特點。

并且由于該款電池主要采用硫元素，該元素在自然界中產量豐富，因此獲取價格低廉。市場中，一噸硫精礦的價格在1000元左右，而下品位在28%的初級硫精礦價格僅要50元/噸，而硒元素價格則在10萬元/噸左右。相比之下，如今一噸鋰礦價格在18萬元左右。

不僅是成本優勢，由于采用了新型材料，該材料尚未用于電池制作中，這些材料在功率放電上也有巨大的提升。過去一年中，SABERS團隊成功將電池的放電率提高了50倍，這樣一來，該電池為大型車輛提供動力的目標更進一步。

并且由于采用固態電池，與普通鋰離子電池不同，由于內部沒有液體因此在耐熱性、安全性上有了巨大提升。相比于液態電解質鋰電池，固態電池采用固態的不可燃電解質代替電解液，從根本上解決了電池起火的安全隱患。

外包裝上，SABERS團隊使用了新型的電池包裝，將所有電池垂直堆放在同一外殼內，不僅能夠減輕電池30%-40%的重量，并且可以增加儲存的能量。

通過這種設計，該固態電池的能量密度達到了驚人的500Wh/kg。要知道特斯拉的4680電池單體能量密度為300Wh/kg，電池組能量密度為217Wh/kg，即便是寧德時代新發布的第三代CTP麒麟電池，能量密度也才255Wh/kg。

意味著目前NASA所研發的固態電池已經遠遠超過當前最先進的鋰離子電池，同時，SABERS團隊研究人員在對電池進行壓力和溫度測試，發現該電池可以在鋰離子電池兩倍的溫度下運行，因此無需額外的冷卻技術。

近年來，中國也對固態鋰電池做出了相應規劃，例如在2020年由中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中提到，固態電池研發力度加大，并布局全固態鋰離子和鋰硫電池等新體系電池開發。

值得注意的是，其中提出電池總體目標為高比能電池在2025年達到350Wh/kg，2030年達到400Wh/kg，2035年達到500Wh/kg。以此來看，NASA的固態電池已經提前十年達成了中國業界的目標。

固態電池能否成為主流？

NASA研究電池時間并不短，為了解決太空中持久的電力供應問題，NASA需要長期可靠的電力系統來探索太陽系，這也成了其研究電池的推動力。

為此NASA研發除了放射性同位素熱電發電機（GTR，也可以簡稱為核電池），而該系統所需的原材料便是钚-238的氧化物。后續又采用了基于方鈷礦材料制作的核電池，采用新材料的核電池要比原有的電池電量多上25%。

NASA在電池技術上的優勢，也吸引了許多車廠的目光。比如日產便與NASA合作，共同開發應用在電動汽車上的固態電池，目標是制造出15分鐘能充滿電的固態電池。如今NASA的新款固態電池研發的出現，意味著距離其既定目標已經不遠。

但縱觀市場會發現一個問題，在電動汽車中，液態電池仍然占主流，最多不過是半固態電池，固態電池遲遲未得到商用，原因在哪里呢？

一方面在于成本，當前制造固態電池生產環境極端嚴苛，生產過程復雜繁瑣，并且最終良品率極低。有多低呢，據業內人士透露，某北京企業的半固態電池生產線良品率低于50%，而純固態電池的良品率可想而知。

要知道在液態電池中，目前特斯拉的4680平均生產良品率為92%，而這已經是相當低的水平。由于低良率導致的高成本，讓特斯拉大量采購寧德時代的方形電池，并且占比越來越大，以降低自身的制造成本。

對于固態電池的成本，日產方面認為目前在75美元/kWh，到2028年以后，這一成本將降至65美元/kWh，屆時搭載固態電池的電動汽車成本將與燃油車成本大致相同。

即便不考慮成本問題，并且固態電池極大提升功率密度與使用壽命，但在實際使用過程中，其表現卻仍未能令人滿意。由于電解質變為了固態，其內部的導電性有所下降，并且固態電池的內阻會消耗大量能量，使固態電池在低溫或室溫條件下輸出的電流和功率偏低，但在高溫環境下反而表現較好。

上文中提到，NASA方面透露，新型固態電池可以在鋰離子電池兩倍的溫度下運行，但卻沒有說明在室溫下固態電池的表現如何。如果性能下降，那么就與動力電池使用的普遍場景相違背。

不過即便如此，NASA所研發的新型固態電池也并非沒有意義，因為如今的液態電池發展已經快到極限了。比如特斯拉的圓柱電池，便是將單體圓柱電芯做得更大，從而讓電池中使用電芯的個數變少，提升成組效率。包括寧德時代的麒麟電池、比亞迪刀片電池發展路徑都是類似。

同時提升電池正極中活性材料的占比來增加能量密度，但這樣會在一定程度上犧牲電池安全性。而到了今年，寧德時代發布的磷酸錳鐵鋰電池中，在正極加入了錳材料，比容量達到165mA·h/g，將磷酸鐵鋰電池性能推到了極限，只存在利潤上的優化空間。

如果想要進一步提升能量密度，增強續航時間，在新型材料發展緩慢的當下，只能朝著固態電池方向發展。目前產業中已經開始從液態電池，慢慢向半固態電池發展，當然在半固態電池中，想要量產商用，仍然存在諸多問題。但相比純固態電池，半固態電池已經讓產業界人士看到了發展的希望。

寫在最后

早在1990年，美國橡樹嶺國家實驗室便研發出了固態電池，可以充放電上萬次而不衰竭，并且充滿電只需要幾分鐘，能量密度超過700Wh/kg。但在30年后，NASA反而將能量密度降至500Wh/kg，但卻讓固態電池離商用化更近了一步。

通過使用新材料，降低了制造成本，同時提升了放電率，讓新型的固態電池向支持大型車輛供電靠攏。并且在如今液態電池走向極限的當下，材料突破緩慢，固態電池已經成為當前明確的升級道路?，F在市場中當然還是以液態電池為主，但在未來，固態電池的發展已勢不可擋。